基于PLC的自動(dòng)澆灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院Hunan Industry Polytechnic基于PLC的自動(dòng)澆灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)系名稱專業(yè)及班級(jí)學(xué)生姓名學(xué) 號(hào)指導(dǎo)教師電氣工程系機(jī)電S2012-1班局慶44李力何大剛摘要隨著數(shù)字化的快速發(fā)展，越來越多的數(shù)字化和信息化手段應(yīng)用到了各個(gè)領(lǐng)域之中。傳統(tǒng)的澆灌方式灌水量多、耗水量大，不能適時(shí)適量的澆灌，造成了水資源的極大浪費(fèi)，與我國建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的發(fā)展戰(zhàn)略極不協(xié)調(diào)。傳統(tǒng)澆灌設(shè)備大多采用繼電器控制，調(diào)試與維護(hù)苦難，靈敏度不夠高，不能實(shí)現(xiàn)根據(jù)外界環(huán)境變化控制澆灌。可編程控制器（ PL。具有提高可靠性、增加靈活性和適用于各種環(huán)境條件下運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，并且在系統(tǒng)硬件組成不變的情況下，可以通過更

2、改軟件設(shè)置來適用多種運(yùn)行方式的需要、是傳統(tǒng)繼電器控制的理想替代品。本課題以PLC為核心，外圍由溫度、濕度傳感器及必要輸入輸出設(shè)備電路、水泵等組成。通過相應(yīng)的傳感器獲取外界環(huán)境參數(shù)，經(jīng)過一定的邏輯運(yùn)算后控制水泵的啟動(dòng)或者停止來進(jìn)行自動(dòng)的澆灌。為防止水泵過于頻繁的啟停，應(yīng)在控制邏輯決策時(shí)加入一定的簡單控制策略。本系統(tǒng)能夠在自動(dòng)模式與手動(dòng)模式之間進(jìn)行自由切換。該系統(tǒng)能夠提高灌溉效率，達(dá)到節(jié)能節(jié)水的目的，同時(shí)，能減輕澆灌人員的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)，將科學(xué)的澆灌經(jīng)驗(yàn)固化在控制器中，降低了對(duì)種植經(jīng)驗(yàn)的要求，有利于提高生產(chǎn)效率。關(guān)鍵詞：PLC溫度、濕度傳感器，水泵第 1 章緒論 5課題背景及目的 5課題研究現(xiàn)狀 5國外

3、研究現(xiàn)狀 5國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 6目的和意義 6研究目的 6研究意義 7第 2 章系統(tǒng)器件選擇設(shè)計(jì) 8PLC的選型 8機(jī)型的選擇 8容量的選擇 8電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式 9電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式的選擇 9電動(dòng)機(jī)電氣控制電路 10電動(dòng)機(jī)的PLC控制程序編寫 10溫度、濕度傳感器的選型 10溫度傳感器的選擇 10濕度傳感器的選擇 11模塊的選擇 12模塊的認(rèn)識(shí) 12EM235配置 14系統(tǒng)所需電源的選擇 14第 3 章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 16常用PLC程序的設(shè)計(jì)方法 16溫度監(jiān)控程序的設(shè)計(jì) 16濕度監(jiān)控程序設(shè)計(jì) 17結(jié)論 19參考文獻(xiàn) 20基于PLC的自動(dòng)澆灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 1 章 緒論課題背景及目的我國水資源短缺，利用率低

4、，水浪費(fèi)嚴(yán)重，供需矛盾突出。傳統(tǒng)灌溉設(shè)備單一，灌溉難度大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，嚴(yán)重制約我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此需要合理灌溉，發(fā)展自動(dòng)灌溉系統(tǒng)。發(fā)展自動(dòng)灌溉系統(tǒng)對(duì)于緩解水資源緊缺矛盾、節(jié)約勞動(dòng)力，擴(kuò)大灌溉面積、實(shí)現(xiàn)“兩個(gè)轉(zhuǎn)變”、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力具有十分重要的意義。合理的灌溉是農(nóng)作物正常生長發(fā)育并獲得高產(chǎn)的重要保證，可取得良好的生理效應(yīng)和生態(tài)效應(yīng)，增產(chǎn)效果顯著。國外一些噴灌系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高，其安裝和維護(hù)過程都很復(fù)雜，不適合在我國使用。我國制造的噴灌設(shè)備成本相對(duì)低廉，但是由于絕大多數(shù)采用的是普通繼電器控制系統(tǒng)，調(diào)試與維護(hù)困難，靈敏度不夠高，不能實(shí)現(xiàn)定時(shí)定量噴灌，其產(chǎn)品市場(chǎng)占有率很

5、低。 PLC 具有體積小、功能強(qiáng)、編程簡單、可靠性高和組裝靈活等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國防、電力和通訊等領(lǐng)域，但在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域很少應(yīng)用?？删幊炭刂破鳎≒LC）應(yīng)用在節(jié)水灌溉控制工程設(shè)計(jì)中能夠簡化硬件結(jié)構(gòu)，具有提高可靠性、增加靈活性和適用于各種環(huán)境條件下運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，并且在系統(tǒng)硬件組成不變的情況下，通過更改軟件設(shè)置來適應(yīng)多種運(yùn)行方式的需要，是傳統(tǒng)繼電器控制的理想替代品，尤其在農(nóng)田水利系統(tǒng)的小型泵站中可實(shí)現(xiàn)無人值或半無人值守，具有廣闊的應(yīng)用前景和使用價(jià)值。課題研究現(xiàn)狀國外研究現(xiàn)狀目前世界上灌溉技術(shù)比較先進(jìn)的國家主要是西歐的荷蘭、法國、英國、意大利、西班牙，美國，中東的以色列，亞洲的日本等。這些國家自動(dòng)灌溉的研

6、究起步早，發(fā)展快，綜合環(huán)境技術(shù)水平高。一些技術(shù)先進(jìn)的國家在自動(dòng)灌溉控制發(fā)展的基礎(chǔ)上，更不斷研究各種最新的灌溉控制技術(shù)及不同作物的不同營養(yǎng)液配方及營養(yǎng)液自動(dòng)混合技術(shù)，并及一步發(fā)展成灌溉專家系統(tǒng)。同時(shí)不斷的把先進(jìn)的控制技術(shù)應(yīng)用于灌溉系統(tǒng)中。世界上灌溉技術(shù)的發(fā)展最具有代表性的國家首推以色列。以色列擁有像耐特費(fèi)姆、普拉斯托、美滋一雷鷗等多家世界著名灌溉公司。并已經(jīng)出現(xiàn)了在家罩利用電腦對(duì)灌溉過程進(jìn)行全部控制（ 無線、有線 ） 的農(nóng)場(chǎng)主。以色列開發(fā)出多個(gè)系列的農(nóng)業(yè)自動(dòng)灌溉的配套閥門，如電動(dòng)和水動(dòng)遙控電磁閥、減壓閥、調(diào)壓閥、安全或止回閥、逆止閥和流量控制閥等。國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀目前我國現(xiàn)代自動(dòng)灌溉技術(shù)的發(fā)展主要是

7、在引進(jìn)、消化技術(shù)的基礎(chǔ)上，從無到有，逐步被人們認(rèn)識(shí)和接受。1985 年福建省龍溪地區(qū)引進(jìn)安裝了當(dāng)時(shí)達(dá)世界先進(jìn)水平的美國整套微噴灌設(shè)備，大大促進(jìn)了我國微噴灌技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展。到1991 年，我國微灌使用面積已有 2 萬多公頃，過去的20 多年里，在設(shè)備研制和經(jīng)驗(yàn)積累等方面都為我國微灌的進(jìn)一步發(fā)展打下了一定的基礎(chǔ)。最近幾年，由于國家的重視和實(shí)際的需要，各地大力發(fā)展節(jié)水灌溉，微灌在我國進(jìn)入了快速增長階段。盡管設(shè)旎栽培灌溉技術(shù)近十幾年來在我國得到了較快的發(fā)展，但是綜合環(huán)境控制水平還很低，自動(dòng)灌溉及施肥控制技術(shù)的發(fā)展目前還只限于引進(jìn)吸收階段。目前，我國的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)相對(duì)于先進(jìn)國家所存在的差距是：1. 還

8、不能實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)液自動(dòng)混合控制。營養(yǎng)液混合還停留在使用施肥器完成液體肥和水的混合，然后通過管網(wǎng)送到作物周圍的階段。2. 自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)，除個(gè)別引進(jìn)國外成套設(shè)備以外，國內(nèi)還沒有成型的產(chǎn)品，生產(chǎn)中使用的基本上還是人工操作閥門的設(shè)備。3. 灌溉停留在單個(gè)因子的調(diào)節(jié)上，不能實(shí)現(xiàn)與其他環(huán)境因子的綜合控制。4. 不能實(shí)現(xiàn)灌溉專家系統(tǒng)。灌溉控制主要還是依照人的經(jīng)驗(yàn)去進(jìn)行，離技術(shù)先進(jìn)的國家還有差距?？傊?，在現(xiàn)代灌溉的開發(fā)與技術(shù)方面，我國還落后于國外先進(jìn)國家，根據(jù)我國現(xiàn)代灌溉的現(xiàn)狀，需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題還很多，尤其是自動(dòng)控制系統(tǒng)。這些技術(shù)在我國還處于研究和待開發(fā)階段，不能滿足灌溉的需要。目的和意義研究目的農(nóng)業(yè)是

9、人類社會(huì)最古老的行業(yè)，是各行各業(yè)的基礎(chǔ)，也是人類賴以生存的最重要的行業(yè)。農(nóng)業(yè)的根本出路在科技，在教育。由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變，由粗放經(jīng)營向集約經(jīng)營轉(zhuǎn)變，必須要求農(nóng)業(yè)科技有一個(gè)大的發(fā)展，進(jìn)行一次新的農(nóng)業(yè)技術(shù)革命。農(nóng)業(yè)與工業(yè)、交通等行業(yè)相比仍然比較落后，農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)尤其落后。灌溉系統(tǒng)自動(dòng)化水平較低是制約我國高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要原因。傳統(tǒng)的灌溉模式自動(dòng)化程度極低，基本上屬粗放的人工操作，即便對(duì)于給定的量，在操作中也無法進(jìn)行有效的控制，為了提高灌溉效率，縮短勞動(dòng)時(shí)間和節(jié)約水資源，必須發(fā)展節(jié)自動(dòng)溉控制技術(shù)。研究意義現(xiàn)代智能型控制器是進(jìn)行灌溉系統(tǒng)田間管理的有效手段和工具，它可提高操作準(zhǔn)確 性，有利于灌溉

10、過程的科學(xué)管理，降低對(duì)操作者本身素質(zhì)的要求。 除了能大大減少勞動(dòng)量, 更重要的是它能準(zhǔn)確、定時(shí)、定量、高效地給作物自動(dòng)補(bǔ)充水分，以提高產(chǎn)量、質(zhì)量，節(jié) 水、節(jié)能。第 2 章 系統(tǒng)器件選擇設(shè)計(jì)PLC的選型機(jī)型的選擇PLC機(jī)型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護(hù)方便的前提下，力爭最 佳的性價(jià)比。選擇時(shí)應(yīng)主要考慮以下幾點(diǎn)。1）合理的結(jié)構(gòu)形式：PLC主要有整體式和模塊式兩種結(jié)構(gòu)形式。整體式PLC的每個(gè)I/O點(diǎn)的平均價(jià)格比模塊式的便宜，且體積相對(duì)較小，一般用于系 統(tǒng)工藝過程較為固定的小型控制系統(tǒng)中；而模塊式PLC的功能拓展靈活方便，當(dāng)I/O點(diǎn)數(shù)不足時(shí)，只需要加入I/O 拓展模塊就可以了，現(xiàn)已開發(fā)

11、了許多實(shí)用的模塊，在模塊的選擇上有很大的余地，而且模塊的維修方便簡單，廠家提供維修服務(wù)。此類形式常用于較復(fù)雜 的控制系統(tǒng)。2）安裝方式的選擇：PLC的安裝方式分為集中式，遠(yuǎn)程I/O式以及多臺(tái)聯(lián) 網(wǎng)分布式。集中式安裝不需要裝配驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)程I/O 的硬件結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)反應(yīng)能力強(qiáng)，安裝成本低；遠(yuǎn)程 I/O 式適用于大型系統(tǒng)的安裝，系統(tǒng)的部件裝置可以分布在很廣的范圍內(nèi)，可以在現(xiàn)場(chǎng)安裝控制裝置，這樣可以得到一個(gè)連接短的系統(tǒng)，但需要額外的裝設(shè)驅(qū)動(dòng)器和遠(yuǎn)程I/O 電源；多臺(tái)聯(lián)網(wǎng)分布式被應(yīng)用于多臺(tái)設(shè)備技能分別獨(dú)立控制，又得把他們互相聯(lián)系起來的系統(tǒng)中，在此方式下必須用到通訊模塊來連接各部分的設(shè)備。3）功能要求：一般小型

12、的 PLC都能實(shí)現(xiàn)運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能，對(duì)于只需要開關(guān)控制的設(shè)備都可以滿足。對(duì)于以開關(guān)量為主，帶少量模擬量控制的系統(tǒng)可選用中高檔PLC。中高檔PLC價(jià)格較貴，一般用于大規(guī)模過程控制和集散控制系統(tǒng)等場(chǎng)合。容量的選擇PLC 容量的選擇包括I/O 點(diǎn)數(shù)和用戶存儲(chǔ)容量選擇兩方面。1 ） 根據(jù)對(duì)控制設(shè)備的分析，有被控對(duì)象的輸入、輸出信號(hào)的實(shí)際需要，再加上 10%15%的余量來確定所需的I/O 點(diǎn)數(shù)，另外注意，一般同時(shí)接通的輸入點(diǎn)數(shù)不得超過總輸入點(diǎn)的60% PLC的輸出點(diǎn)可以分共點(diǎn)式、分組式和隔離式幾種接法2）存儲(chǔ)容量的選擇：存儲(chǔ)容量的計(jì)算我們不可能做到精確，粗略計(jì)算時(shí)就要留很大 的余量。在只有開關(guān)量控

13、制的系統(tǒng)中，可以用輸入量總點(diǎn)數(shù)*10字/點(diǎn)+輸出量的總點(diǎn)數(shù)*5字/點(diǎn)來估算；計(jì)數(shù)器/定時(shí)器（35）字/個(gè)來粗略估算；需要進(jìn)行運(yùn)算處理時(shí)按（510） 字/量來粗略估算：在有模擬量控制的系統(tǒng)中，可以按每個(gè)接口200字以上的數(shù)量估算。最后,一般在經(jīng)過以上估算后容量的基礎(chǔ)上再加 50%100的余量。本設(shè)計(jì)采用德國西門子 S7-200PLC S7-200PLC是一種小型的可編程控制器，適用于 各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。S7-200系列的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此 S7-200系列具有極高的性價(jià)比。 S7-200 系歹用勺 PLCW CPU2

14、21CPU222CPU224CPU22靜類型。本系統(tǒng)選用 S7-200 CPU224 S7-200 CPU 224本機(jī)集成14輸入/10輸出共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)。可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊， 最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6 個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。I/O端 子排可很容易地整體拆卸。是具有較強(qiáng)控制能力的控制器。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式的選擇為了使水泵啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊小，因此選用Y-A起動(dòng)的方式啟動(dòng)水泵，對(duì)于正常運(yùn)行的定子繞組為三角形接法的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)來說，如果在起動(dòng)時(shí)將定子繞組

15、接成星 形，起動(dòng)完畢后再接成三角形，就可以降低起動(dòng)電流，減輕它對(duì)電網(wǎng)的沖擊。這樣的起動(dòng) 方式稱為星三角減壓起動(dòng)，或簡稱為星三角起動(dòng)（ Y-A 起動(dòng)）。采用星三角起動(dòng)時(shí)，起 動(dòng)電流只是原來按三角形接法直接起動(dòng)時(shí)的1/3。如果直接起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)電流以67Ie 計(jì)，則在星三角起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流才 2 倍。這就是說采用星三角起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn) 矩也降為原來按三角形接法直接起動(dòng)時(shí)的 1/3。適用于無載或者輕載起動(dòng)的場(chǎng)合。并且同 任何別的減壓起動(dòng)器相比較，其結(jié)構(gòu)最簡單，價(jià)格也最便宜。除此之外，星三角起動(dòng)方式 還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)，可以讓電動(dòng)機(jī)在星形接法下運(yùn)行。此時(shí)，額定轉(zhuǎn)矩與負(fù) 載可以匹配，這樣能使電動(dòng)機(jī)

16、的效率有所提高，并因之節(jié)約了電力消耗。電動(dòng)機(jī)電氣控制電路圖電動(dòng)機(jī)電氣控制電路電動(dòng)機(jī)的PLC控制程序編寫I/O地址分配圖I/O地址分配程序圖圖星-三角降壓啟動(dòng)程序圖溫度、濕度傳感器的選型溫度傳感器的選擇DS18B20M理與特性：本系統(tǒng)采用了 DS18B2W總線可編程溫度傳感器，來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度 的采集和轉(zhuǎn)換，大大簡化了電路的復(fù)雜度，以及算法的要求。首先來介紹一下DS18B2CB塊傳感器的特性及其功能：DS18B20的管腳及特點(diǎn)DS18B2句編程溫度傳感器有3個(gè)管腳。 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位只讀內(nèi)部存儲(chǔ)器、溫度傳感器、溫度上/下限報(bào)警觸發(fā) 器TH和TL、暫存器。DS18B20勺外形及管腳排列

17、如圖所示圖DS18B20的外形及管腳排列圖圖DS18B20內(nèi)部功能模塊GNM電源接地線，DQ為數(shù)據(jù)信號(hào)輸入/輸出端，通過一個(gè)較弱的上拉電阻與 PLC相 連。VDM外接供電電源輸入端，范圍3. O- V。DS18B2吶部功能模塊如圖所示。DS18B20勺工作原理：DS18B20勺測(cè)溫原理與DS1820t目同，只是因分辨率不同得到的 溫度值的位數(shù)DS18B20為9位12位，而DS1820為9位，且溫度轉(zhuǎn)換 時(shí)的延時(shí)時(shí)間變 為750mS,DS18B20勺測(cè)溫原理圖如圖所示。雖然現(xiàn)在高精度芯片的采用，但由于技術(shù)問題在實(shí)際情況上比較難實(shí)現(xiàn), 而實(shí)際精度不能達(dá)到很高的數(shù)值，不過溫度寄存器中的數(shù)值基本可確定

18、為所測(cè)溫度。斜率累加器的作用就是為了減少這一誤差，它能夠補(bǔ)償和修正測(cè)溫過程中的誤差，修正計(jì)數(shù)器1 的預(yù)置值。圖中低溫度系數(shù)振蕩器的晶振振蕩頻率受溫度影響很小，固其能夠產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)，用于計(jì)數(shù)器1 的輸入。而高溫度系數(shù)振蕩器的晶振振蕩頻率隨溫度變化有著明顯的改變，所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)用于計(jì)數(shù)器2 的輸入。預(yù)置計(jì)數(shù)器1 和溫度寄存器的一個(gè)基數(shù)值，為在55所對(duì)應(yīng)時(shí)。低溫度系數(shù)振蕩器晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)過計(jì)數(shù)器1 的減法計(jì)數(shù)，當(dāng)減到0 時(shí)，溫度寄存器中的數(shù)據(jù)值將加 1，重新裝入計(jì)數(shù)器1 的預(yù)置，低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)在經(jīng)過計(jì)數(shù)器1 的減法計(jì)數(shù)，循環(huán)執(zhí)行，直到計(jì)數(shù)器2 內(nèi)的數(shù)據(jù)減到0 時(shí)，停止

19、溫度寄存器內(nèi)值的累加，此時(shí)溫度寄存器內(nèi)的數(shù)值就是現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)得溫度。DS18B20勺寄存器結(jié)構(gòu)的配置，低五位一直都是1,TM是測(cè)試模式位，用于設(shè)置DS18B20 在工作模式或測(cè)試模式。在其出廠時(shí)改為被設(shè)置為，用戶不要改動(dòng)。R1和R0用來設(shè)置分辨率。圖DS18B20的測(cè)溫原理框圖濕度傳感器的選擇濕度的測(cè)量有很多種方法，濕度傳感器的工作原理是其內(nèi)置的物質(zhì)從周圍環(huán)境中吸收水分后引起的物質(zhì)形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化，將這種變化以某種等價(jià)方式獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的濕度。最常用的有電容式、電阻式和濕漲式濕敏元件，分別是根據(jù)其內(nèi)置物質(zhì)吸濕后的介電常數(shù)、電阻率和體積的變化而測(cè)量得到濕度的。下面介紹HS1100（頂端接

20、觸）/HS1101 （側(cè)面接觸）濕度傳感器的特性及其應(yīng)用。1. 主要特性（ 1）不需校準(zhǔn)的完全互換性；（ 2）可靠性高和長期穩(wěn)定性；（ 3）響應(yīng)時(shí)間快速；（ 4）使用方便體積小；（5）能夠適用于線性電壓和頻率兩種輸出電路；（6）適宜于流水線自動(dòng)插件的制造和自動(dòng)裝配過程等。相對(duì)濕度的范圍是0100%RH電容量的變化為16pF變到200pF,其誤差為土 RH反 應(yīng)時(shí)間小于5S、溫度系數(shù)為C,可見其有較高的精度。2. 工作原理HS1100/HS1101電容傳感器，在電路圖中就是一個(gè)電容器件，這個(gè)電容有著其自身特點(diǎn)：隨著空氣中濕度的改變其電容量也就改變，如何把電容的變化量等價(jià)的轉(zhuǎn)換為能夠被計(jì)算機(jī)識(shí)別的

21、信號(hào)，常用的方法是將該濕敏電容連接在555 振蕩電路中，555 振蕩電路的連接如圖所示，其可以把電容值的變化量轉(zhuǎn)為易于被計(jì)算機(jī)識(shí)別的與之成反比的電壓頻率信號(hào)。HS1100/HS1101濕度傳感器在不同的相對(duì)濕度中其電容值是不同的，而電容值得改 變使電路輸出的頻率也發(fā)生相應(yīng)的改變，HS1100/HS1101的容值隨著相對(duì)濕度的增大而增大，而輸出頻率與之成反比，因此輸出頻率的變化是隨著相對(duì)濕度值的變大而變小，即頻率降低。圖給出了輸出頻率的典型值。圖典型頻率值（參考點(diǎn)：25，相對(duì)濕度：50%，輸出頻率：6728KHZ）圖給出了 HS1101典型頻率輸出的555測(cè)量振蕩電路，集成定時(shí)器 555未接電阻

22、R4 R2與濕敏電容C,構(gòu)成對(duì)C的充電回路并將引腳2、6端相連引入到片內(nèi)比較器，便成為 一個(gè)典型的多諧振蕩器，即方波發(fā)生器。另外，R3 是防止輸出短路的保護(hù)電阻，R1 用于平衡溫度系數(shù)。圖 HS1101 典型 555應(yīng)用電路模塊的選擇模塊的認(rèn)識(shí)每個(gè)模擬量擴(kuò)展模塊，按擴(kuò)展模塊的先后順序進(jìn)行排序，其中，模擬量根據(jù)輸入、輸出不同分別排序。模擬量的數(shù)據(jù)格式為一個(gè)字長，所以地址必須從偶數(shù)字節(jié)開始，精度為12位；模擬量值為0-32000的數(shù)值。輸入格式：AIW起始字節(jié)地址如AIW0輸出格式： AQW起始字節(jié)地址AQW0每個(gè)模擬量輸入模塊，按模塊的先后順序地址為固定的，順序 向后排。例：AIWO, AIW2

23、 AIW4、AQW0AQW2。每個(gè)模擬量擴(kuò)展模塊至少占兩個(gè)通道，即使第一個(gè)模塊只有一個(gè)輸出AQW0（EM235 只有一個(gè)模擬量輸出）,第二個(gè)模塊模擬量輸出地址也應(yīng)從 AQW奸始尋址，以此類推。模擬量輸入模塊可以通過撥碼開關(guān)設(shè)置為不同的測(cè)量方式（電流電壓）。模塊開關(guān)的設(shè)置應(yīng)用于整個(gè)模塊，一個(gè)模塊只能設(shè)置為一種測(cè)量范圍；而且開關(guān)設(shè)置只有在重新上電后才能生效。只能將輸入端同時(shí)設(shè)置為一種量程和格式，即相同的輸入量程和分辨率。EM23星最常用的模擬量擴(kuò)展模塊，它實(shí)現(xiàn)了 4路模擬量輸入和1路模擬量輸出功 能。EM235真擬量擴(kuò)展模塊的接線方法，對(duì)于電壓信號(hào)，按正、負(fù)極直接接入 X+和X; 對(duì)于電流信號(hào)，將

24、RX和X+短接后接入電流輸入信號(hào)的“ + ”端； 未連接傳感器的通道要 將X+和X短接。注意：為避免共模電壓，須將 M端與所有信號(hào)負(fù)端連接，未連接傳感器的通道要 短接。當(dāng)模擬量輸入PLC接收到一個(gè)變動(dòng)很大的不穩(wěn)定的值時(shí)，原因之一：你可能使用了 一個(gè)自供電或隔離的傳感器電源，兩個(gè)電源沒有彼此連接，所以由此產(chǎn)生了一個(gè)很高的上 下振動(dòng)的共模電壓，影響模擬量輸入值。原因之二：可能是模擬量輸入模塊接線太長或絕 緣不好。所以解決方法：1. 連接傳感器輸入的負(fù)端與模塊上的公共M 端以補(bǔ)償此種波動(dòng)。（注意：事前要確定這是兩個(gè)電源間的唯一連接。如果另外一個(gè)連接已經(jīng)存在了，當(dāng)再添加公共連接時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)多余的補(bǔ)

25、償電流。）當(dāng)出現(xiàn)模擬量輸入PLC接收到信號(hào)變化很慢，這可能是你使用了濾波器，可以通過降低濾波采樣數(shù)，或取消模擬量濾波方式解決。EM235 不是用于與熱電阻連接測(cè)量溫度的模塊，勉強(qiáng)使用容易帶來故障。模擬量輸入模塊使用前應(yīng)進(jìn)行輸入校準(zhǔn)。其實(shí)出廠前已經(jīng)進(jìn)行了輸入校準(zhǔn)，如果OFFSE刷GAIN電位器已被重新調(diào)整，需要重新進(jìn)行輸入校準(zhǔn)。其步驟如下：A、切斷模塊電源，選擇需要的輸入范圍。B、接通CPlff口模塊電源，使模塊穩(wěn)定15分鐘。C、用一個(gè)變送器，一個(gè)電壓源或一個(gè)電流源，將零值信號(hào)加到一個(gè)輸入端。D讀取適當(dāng)?shù)妮斎胪ǖ涝?CPlfr的測(cè)量值。E、調(diào)節(jié)OFFSET偏置）電位計(jì)，直到讀數(shù)為零，或所需要的數(shù)

26、字?jǐn)?shù)據(jù)值。F、將一個(gè)滿刻度值信號(hào)接到輸入端子中的一個(gè)，讀出送到CPU勺值。G調(diào)節(jié)GAIN （增益）電位計(jì),直到讀數(shù)為 32000或所需要的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)值。H、必要時(shí)，重復(fù)偏置和增益校準(zhǔn)過程。假設(shè)模擬量的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)是 A0-Am（如：420mA , A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)值為DO- Dm （如：6400 32000）,設(shè)模擬量的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)是 A, A/D轉(zhuǎn)換后的相應(yīng)數(shù)值為D,由于是線性關(guān)系，函數(shù)關(guān)系A(chǔ)= f (D)可以表示為數(shù)學(xué)方程:A = (D- D。X (Amr A0) / D Dmr DO) +A0。根據(jù)該方程式，可以方便地根據(jù) D值計(jì)算出A值。將該方程式逆變換，得出函數(shù)關(guān) 系&f (A)可以

27、表示為數(shù)學(xué)方程：D = (A A0) X ( Dm D0) / (Arrv AO) + Dd具體舉一個(gè)實(shí)例，以S7-200和420mAJ例，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，我們得到的數(shù)值是 6400 32000,即 A0= 4, Amr 20, D0= 6400, Dmr32000,代入公式，得出：A = (D 6400) X (20 4) / (32000 6400) +4假設(shè)該模擬量與AIW0對(duì)應(yīng)，則當(dāng)AIW0的值為12800時(shí)，相應(yīng)的模擬電信號(hào)是 6400X 16/25600+ 4 = 8mA又如，某溫度傳感器，1060C與420mAf目對(duì)應(yīng),以T 表示溫度值，AIW0為PLC模擬量采樣值，則根據(jù)上式直

28、接代入得出：T=70X (AIWO-6400) 25600 10 可以用 T 直接顯示溫度值。本設(shè)計(jì)需要測(cè)量溫度、濕度兩路模擬量信號(hào)，EM23叨三路模擬量輸入、一路模擬量輸出，EM235真塊能夠滿足系統(tǒng)的要求。EM235配置圖EM235的常用技術(shù)參數(shù)如圖EM235模塊如何用DIP開關(guān)設(shè)置EM235奠塊如何用DIP開關(guān)設(shè)置如圖所示。開關(guān)16可選擇模擬量的單/雙極性、增 益、衰減性和輸入范圍。DIP開關(guān)SW6決定模擬量輸入白單雙極性，當(dāng) SW劃ON時(shí)為單極 性輸入，SW劃OFF為雙極性輸入。SW4f口 SW5*定其增益的選擇，SW1,SW2,SW3同決定 了其衰減性的選擇，表中，ONfe接通，OF

29、F為斷開。系統(tǒng)所需電源的選擇選好電源是PLC能穩(wěn)定可靠工作的前提，電源看似簡單，但針對(duì)不同的系統(tǒng)要求，電源的選擇卻不能很隨意。如果隨便選個(gè)電源，那么很可能會(huì)造成系統(tǒng)供電崩潰的后果，由于沒有選擇PLC匹配的供電電源而導(dǎo)致出現(xiàn)各種各樣的問題。本系統(tǒng)選用西門子 S7-200PLC其輸入電壓為200V AC,輸出電壓為24V DG PLC內(nèi) 部的電源可分為：內(nèi)部開關(guān)穩(wěn)壓電源，供內(nèi)部電路使用，大多數(shù)機(jī)型還可以向外提供DC24V急壓電源，為現(xiàn)場(chǎng)的開關(guān)信號(hào)、外部傳感器供電。西門子 PLC有多種24V DC電源模 塊可用于S7-200PLCft傳感器。而本系統(tǒng)選用交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵，因此系統(tǒng)應(yīng)有一個(gè)380V

30、的三相交流電源。第 3 章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)常用PLC程序的設(shè)計(jì)方法PLC程序設(shè)計(jì)常用的方法主要有經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法、電路轉(zhuǎn)換梯形圖法、邏輯設(shè)計(jì)法、順序控制設(shè)計(jì)法等。1. 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法：即根據(jù)前人總結(jié)的典型控制電路程序，再按照設(shè)計(jì)中被對(duì)象的具體要求， 把典型程序進(jìn)行從新組合，而且需要反復(fù)調(diào)試和修改，得到現(xiàn)在系統(tǒng)所需要的梯形圖，有時(shí)僅僅這些還不能滿足要求，還需要增加中間環(huán)節(jié)，才能得出符合要求的系統(tǒng)。這種方法沒有一定的規(guī)律可遵循，設(shè)計(jì)所用的時(shí)間和設(shè)計(jì)質(zhì)量與設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)有很大的關(guān)系，故稱為經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法。2. 繼電器控制電路轉(zhuǎn)換為梯形圖法：用 PLC的外部硬件接線和梯形圖軟件來實(shí)現(xiàn)繼電器控制系統(tǒng)的功能。3. 順序控

31、制設(shè)計(jì)法：根據(jù)功能流程圖，以步為核心，從起始步開始一步一步地設(shè)計(jì)下去，直至完成。此法的關(guān)鍵是畫出功能流程圖。4. 邏輯設(shè)計(jì)法：通過中間量把輸入和輸出聯(lián)系起來。實(shí)際上就找到輸出和輸入的關(guān)系，完成設(shè)計(jì)任務(wù)。本次設(shè)計(jì)采用的就是經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法。溫度監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)是對(duì)溫度的處理，需要用到傳感器采取電信號(hào)，經(jīng)過模擬輸入模塊的轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入PLC，假設(shè)物理量為A5，范圍為A0Am，實(shí)時(shí)物理量為X，標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)為B0Bm，實(shí)時(shí)電信號(hào)為Y, A/D轉(zhuǎn)換數(shù)值為C0-Cm實(shí)時(shí)數(shù)值為Z,由于是線性關(guān)系，可以得到方程式Y(jié)= (Bm-B0)*(X-A0)/(Am-A0)+B0經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后數(shù)值的方程式可表示為Z=

32、 ( Cm-C0) *(X-A0)/(Am-A0)+C0有此式就可以得出逆變換的方程式X= (Am-A0)*(Z-C0)/(Cm-C0)+A0在本設(shè)計(jì)中溫度傳感器的測(cè)量范圍為 0100C,標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)為420mA輸入信號(hào)的9600。數(shù)字量為640032000。溫度的設(shè)定值為25C,其對(duì)應(yīng)的數(shù)字量由轉(zhuǎn)換公式可得到為由逆變公式可得到溫度的顯示數(shù)值為X=100（* Z-6400） /25600。 環(huán)境的變化量可以為25，我們可以設(shè)置當(dāng)溫度大于等于30時(shí)，系統(tǒng)控制水泵澆灌。本設(shè)計(jì)采用的PID 閉環(huán)控制系統(tǒng)，首先要建立回路表，初始化PID 參數(shù)。該系統(tǒng)的控制過程：啟動(dòng)時(shí)，手動(dòng)控制加熱器使環(huán)境溫度達(dá)到要求值

33、，在顯示器上顯示實(shí)時(shí)的溫度，然后切換到自動(dòng)方式?？刂剖謩?dòng)/自動(dòng)的切換,0 代表手動(dòng)，1 代表自動(dòng)。當(dāng)工作在手動(dòng)方式下，可以把過程變量直接寫入回路表中的輸出寄存器（VD108。其中主程序的功能是PLC首次運(yùn)行時(shí)利用調(diào)用初始化子程序 SBR0子程序SBR0的功能是形成PID的回路表， 建立5S 的定時(shí)中斷，并且開中斷。中斷程序INT0 的功能是輸入測(cè)量值，并送入回路表，經(jīng)過PID 計(jì)算將輸出值輸出，從而控制水泵澆灌。圖溫度監(jiān)控程序梯形圖濕度監(jiān)控程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中濕度傳感器的測(cè)量范圍是 0到100%RH標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)為420mA輸入信號(hào)的 數(shù)字量為640032000。濕度的設(shè)定值為 50%RH其對(duì)應(yīng)的數(shù)字量由轉(zhuǎn)換公式可得到為 19200。由逆變公式可得到溫度的輸出顯示數(shù)值為X=100*（ Z-6400） /25600。環(huán)境的變化量可以為45%RH我們可以設(shè)置當(dāng)溫度大于等于 55%R或小于等于45%R附，系統(tǒng)控制水 泵澆灌。圖濕度監(jiān)控程序圖結(jié)論本課題以PLC為核心，外圍由溫度、濕度傳感器及必要輸入輸出設(shè)備電路、水泵等組成。通過相應(yīng)的傳感器獲取外界環(huán)境參數(shù)，經(jīng)過一定的邏輯運(yùn)算后控制水泵的啟動(dòng)或者停止來進(jìn)行自動(dòng)的澆灌。為防止水泵過于頻繁的啟停，應(yīng)在控制邏輯決策時(shí)加入一定的簡單控制策略。本